CRISPR是規(guī)律間隔性成簇短回文重復(fù)序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats）的簡稱。它是旨在抵御外來DNA的細(xì)菌免疫系統(tǒng)的一個重要的組成部分。在細(xì)菌中，CRISPR的作用就像在人體細(xì)胞中的一把剪刀一樣，切割外來的DNA鏈。盡管科學(xué)家們已知道CRISPR在野外大約一半的細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)到，但他們對CRISPR與入侵的病毒或噬菌體之間的分子戰(zhàn)爭知之甚少。

圖片來自Mulepati, S., Bailey, S.; Astrojan/Wikipedia/ CC BY 3.0。

在2018年7月19日同時在線發(fā)表在Cell期刊上的兩篇論文中，來自兩個研究團隊的研究人員提供了當(dāng)入侵含有CRISPR的細(xì)菌時，噬菌體彼此間進行合作的證據(jù)。他們發(fā)現(xiàn)為了壓制CRISPR的破壞，噬菌體通過聯(lián)合起來快速地感染細(xì)菌來加以適應(yīng)，而且有時一個噬菌體還會為此作為引火噬菌體（primer phage）犧牲自我。這兩個研究團隊---來自美國加州大學(xué)舊金山分校和英格蘭?？巳卮髮W(xué)----著重關(guān)注細(xì)菌和噬菌體之間基于CRISPR和抗CRISPR蛋白（anti-CRISPR protein）的免疫關(guān)系。這兩篇論文的標(biāo)題為“Bacteriophage Cooperation Suppresses CRISPR-Cas3 and Cas9 Immunity”和“Anti-CRISPR Phages Cooperate to Overcome CRISPR-Cas Immunity”。

加州大學(xué)

加州大學(xué)舊金山分校的研究人員意外地發(fā)現(xiàn)噬菌體彼此間相互合作旨在贏得與CRISPR之間的時間和數(shù)量戰(zhàn)爭。為了成為一種有效的免疫策略，含有CRISPR的細(xì)菌必須快速地對噬菌體攻擊作出反應(yīng)，并且必須在噬菌體殺死它之前這樣做。加州大學(xué)舊金山分校的Joseph Bondy-Denomy說，“這是一個非常快速的時間和數(shù)字游戲。CRISPR蛋白必須非?？斓卣业讲《綝NA，如果無法做到這一點，那么病毒就會繼續(xù)入侵并殺死細(xì)菌細(xì)胞?！?/span>

Bondy-Denomy團隊研究了銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa），這是已知在遭受噬菌體感染前會預(yù)先表達數(shù)百個CRISPR分子的細(xì)菌之一。當(dāng)單個噬菌體基因組進入細(xì)菌細(xì)胞時，CRISPR能夠立即起作用。在一些其他的細(xì)菌中，CRISPR僅在遭受噬菌體感染時才被啟動。

在銅綠假單胞菌含有的大約30種已知的向?qū)NA（gRNA）中，每個CRISPR蛋白復(fù)合物含有其中的一種不同的gRNA。為了讓CRISPR系統(tǒng)有效地發(fā)揮作用，它必須找到與它的gRNA相匹配的靶標(biāo)。具有正確的gRNA的CRISPR蛋白復(fù)合物與當(dāng)時恰好正在入侵的噬菌體匹配上，結(jié)合到噬菌體DNA上并進行切割，這樣細(xì)菌細(xì)胞便戰(zhàn)勝噬菌體的入侵。Bondy-Denomy說，“噬菌體帶來的挑戰(zhàn)是非?？斓禺a(chǎn)生抗CRISPR蛋白（Acr）來阻止這種切割發(fā)生?！彼趲啄昵笆状伟l(fā)現(xiàn)了抗CRISPR蛋白。在這項新的研究中，他的團隊發(fā)現(xiàn)單個噬菌體基因組不可能足夠快地產(chǎn)生這些抗CRISPR蛋白，這是因為細(xì)菌細(xì)胞中的CRISPR蛋白已作好準(zhǔn)備。

Bondy-Denomy說，“我們認(rèn)為正在發(fā)生的事情就是第一個噬菌體起著一個自殺性的噬菌體的作用。它會被破壞，但是一路上它會開始產(chǎn)生一些抗CRISPR蛋白，這些抗CRISPR蛋白中和一些CRISPR，從而幫助它的同類在隨后發(fā)起感染?！彼膱F隊正在提出一種新的模型，在這種模型中，第一個噬菌體有助于下一個噬菌體成功地感染細(xì)菌，即便第一個噬菌體為此付出生命的代價。至于誰會贏得CRISPR和噬菌體之間的戰(zhàn)斗，這是由參與的CRISPR蛋白和抗CRISPR蛋白分子的數(shù)量和速度之間的臨界點決定的。此外，該團隊發(fā)現(xiàn)并非所有的抗CRISPR分子都具有相同的強度，這使得維持這兩者之間的平衡更加復(fù)雜化。

Bondy-Denomy團隊認(rèn)為，這種噬菌體合作是一種利他主義的形式，以確保噬菌體在宿主內(nèi)繼續(xù)復(fù)制，這一點并沒有之前的病毒或噬菌體模型中加以報道，而且之前的模型通常認(rèn)為病毒或噬菌體不過是蛋白外殼包圍著的惰性核酸。他們希望這一發(fā)現(xiàn)將會刺激那些在病毒領(lǐng)域開展研究工作的人，特別是那些致力于研究人類病毒的人。

?？巳卮髮W(xué)

?？巳卮髮W(xué)的研究人員也發(fā)現(xiàn)感染銅綠假單胞菌的噬菌體顆粒彼此間能夠合作來克服抗病毒的CRISPR防御。

在埃克塞特大學(xué)的Edze Westra和Stineke Van Houte的領(lǐng)導(dǎo)下，這些研究人員（以下稱?？巳卮髮W(xué)團隊）確定一些含有CRISPR的細(xì)菌對編碼著抗CRISPR蛋白的噬菌體具有部分免疫力。他們證實這些噬菌體合作克服CRISPR防御的過程：第一個噬菌體阻斷宿主CRISPR免疫系統(tǒng)，從而產(chǎn)生CRISPR免疫防御受到抑制的細(xì)菌宿主，接著隨后的噬菌體就能夠成功地在這個細(xì)菌宿主中復(fù)制。

鑒于單個噬菌體本身不能完全壓制CRISPR，這需要噬菌體開展“團隊合作”來克服它并在細(xì)菌群體中建立感染。隨著CRISPR免疫防御受到抑制的細(xì)菌宿主在細(xì)菌群體中的數(shù)量在增加，越來越多的噬菌體感染取得成功，這就導(dǎo)致感染擴散。因此，為了讓噬菌體感染在整個細(xì)菌群體中擴散，環(huán)境中最初需要一定數(shù)量的噬菌體。導(dǎo)致這種噬菌體感染擴散所需的初始噬菌體數(shù)量標(biāo)志著一個臨界點，它決定著噬菌體是否持續(xù)復(fù)制或或者說這種感染是否會消失。

埃克塞特大學(xué)團隊認(rèn)為這一突破性的發(fā)現(xiàn)可能有助于改善噬菌體療法，這種療法長期以來一直被研究和測試用于治療病原性細(xì)菌感染。Van Houte說，“噬菌體共同作用來抑制細(xì)菌免疫系統(tǒng)的這一發(fā)現(xiàn)對我們來說是非常令人吃驚的，這能夠有助于改進利用噬菌體治療人類細(xì)菌感染的策略，這是因為用于治療的噬菌體劑量將決定著噬菌體是否能夠成功地清除細(xì)菌感染?！?/span>

Westra 說，“更一般地說，這表明病毒對宿主的持久性免疫抑制作用能夠?qū)Σ《靖腥镜牧餍胁W(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響?！?nbsp;

原始出處：

Adair L. Borges, Jenny Y. Zhang, MaryClare F. Rollins et al. Bacteriophage Cooperation Suppresses CRISPR-Cas3 and Cas9 Immunity. Cell, Published online: July 19, 2018, doi:10.1016/j.cell.2018.06.013.

Mariann Landsberger, Sylvain Gandon, Sean Meaden et al. Anti-CRISPR Phages Cooperate to Overcome CRISPR-Cas Immunity. Cell, Published online: July 19, 2018, doi:10.1016/j.cell.2018.05.058.

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